輕與巧的完美結(jié)合: 纓甲飛行的秘密

張 星

1 中國科學(xué)院力學(xué)研究所, 北京 100190

2 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

動物的飛行速度一般與其大小呈正相關(guān) (Tennekes 2009). 纓甲 (Paratuposa placentis) 是世界上最小的甲蟲, 身長300 ～ 400 μm. 但是纓甲的飛行速度可與三倍其體長的昆蟲相媲美 (Farisenkov 2020). 近日, 俄羅斯、日本和德國的科學(xué)家合作, 通過綜合技術(shù)手段, 結(jié)合形態(tài)學(xué)和運(yùn)動學(xué)測量以及計算流體力學(xué) (CFD) 仿真, 成功地揭示了纓甲超強(qiáng)飛行能力的秘密. 論文以“Novel flight style and light wings boost flight performance of tiny beetles”為題, 于2022 年1 月19 日發(fā)表在《Nature》雜志上 (Farisenkov et al. 2022). 在這篇論文中, 作者將纓甲的高超飛行性能歸功于“輕”與“巧”的完美結(jié)合. 具體來說, 即以下兩個關(guān)鍵因素的結(jié)合: (1) 獨(dú)特的翅膀拍動方式 (巧) ;(2) 特殊的翅膀結(jié)構(gòu) (輕) .

纓甲翅膀的拍動方式既不同于大、中型昆蟲通常采用的標(biāo)準(zhǔn)懸停模式 (Freymuth 1990) , 也不同于一些微小昆蟲采用的“深U 形”上揮模式 (Cheng & Sun 2018, Lyu et al. 2019) . 它的翼尖軌跡呈幾乎完全前后對稱的“橫臥8 字形”. 它的一個拍動周期可以劃分為四個階段, 包括兩段快速向下的動力拍擊和兩段緩慢向上的恢復(fù)拍擊 (見圖1(a)) . 由于產(chǎn)生的氣動力力臂較大, 會引起身體大幅度的俯仰振蕩. 但是, 纓甲鞘翅大幅度的打開 (與閉合) 運(yùn)動產(chǎn)生的慣性俯仰力矩起到了“剎車”作用, 有效地減小了身體的俯仰振蕩. 此外, 纓甲的一對翅膀在腹背部各出現(xiàn)一次“合攏打開”過程, 通過左右翼之間的相互作用, 進(jìn)一步提高了支持體重的垂直氣動力 (Weis-Fogh 1973).

圖1(a) 翼尖的“8 字形”運(yùn)動軌跡: 快速下?lián)鋾r翅膀呈平躺姿態(tài), 緩慢上揮時呈側(cè)立姿態(tài); (b) 后翅結(jié)構(gòu): 葉柄、窄翼葉片、剛毛狀緣纓以及剛毛上的次級突起; (c) 時均垂直力: 垂直力合力、后翅產(chǎn)生的垂直力、鞘翅產(chǎn)生的垂直力、身體產(chǎn)生的垂直力、 (假想) 膜狀翼產(chǎn)生的垂直力合力;(d) 比質(zhì)量需用功率: 時均值、峰值、 (假想) 膜狀翼的時均值、兩種不同厚度 (假想) 膜狀翼的峰值 (Farisenkov et al. 2022).

纓甲翅膀的這種拍動方式成功地實(shí)現(xiàn)了拍動幅度的最大化, 勢必導(dǎo)致慣性需用功率的峰值增大, 但是纓甲利用其特殊的翅膀結(jié)構(gòu)克服了這個潛在的問題. 纓甲用于飛行的翅膀是一對藏在鞘翅下的羽毛狀后翅 (feathered wing) . 它由葉柄、窄翼葉片和剛毛狀緣纓組成,每根剛毛還帶有很小的次級突起 (見圖1(b) ) . 與一般昆蟲翅膀的實(shí)心薄膜結(jié)構(gòu)相比, 這種帶有孔隙的疏松結(jié)構(gòu)在撲動過程中的氣動性能略有降低 (見圖1(c) ) , 但是由于其慣性更小, 有效降低了肌肉需用功率的峰值 (圖1(d) ) , 同時也無需翅膀的彈性儲能機(jī)構(gòu). 此外, 關(guān)于“合攏打開”機(jī)制的研究表明,羽毛狀翼在“打開”過程中需要克服的阻力也小于膜狀翼 (Jones et al. 2016) .

纓甲后翅的這種羽毛狀結(jié)構(gòu)和蒲公英種子的冠毛結(jié)構(gòu)非常類似, 但兩者的飛行機(jī)制卻完全不同. 在蒲公英種子的飛行中, 它的垂直力產(chǎn)生完全依賴阻力機(jī)制. 流體繞過冠毛結(jié)構(gòu)后,在其上部隔空形成一個非附著的穩(wěn)定渦環(huán), 使得種子飛得更穩(wěn)、更遠(yuǎn) (Cummins et al. 2018) . 而纓甲采用撲翼方式產(chǎn)生垂直方向的力, 升力機(jī)制和阻力機(jī)制同時對垂直力的產(chǎn)生有重要貢獻(xiàn).

近期的一系列研究表明, 在雷諾數(shù)處于 (10 ～ 100) 范圍內(nèi)的微小尺度生物的飛行與游動中,推進(jìn)器官的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動規(guī)律存在著一些趨同進(jìn)化的現(xiàn)象. 例如, 完全或部分利用阻力機(jī)制產(chǎn)生推進(jìn) (或支持體重) , 利用“合攏打開”機(jī)制增大力的強(qiáng)度, 利用帶有孔隙的疏松結(jié)構(gòu)降低重量和減小慣性需用功率等. 這些現(xiàn)象為仿生飛行器和仿生水下航行器的小型化設(shè)計提供了新思路.